A finales de 2019, Betelgeuse, la estrella que forma el hombro izquierdo de la constelación de Orión, comenzó a oscurecerse notablemente, lo que hizo especular sobre una inminente supernova. Si explotara, este vecino cósmico a apenas 700 años luz de la Tierra sería visible de día durante semanas. Sin embargo, el 99% de la energía de la explosión no sería transportada por la luz, sino por los neutrinos, partículas fantasmas que rara vez interactúan con otra materia.

Si Betelgeuse se convierte pronto en supernova, la detección de los neutrinos emitidos «mejoraría drásticamente nuestra comprensión de lo que ocurre en las profundidades del núcleo de una supernova», dijo el teórico del Fermilab Sam McDermott. Además, supondría una oportunidad única para investigar las propiedades de los propios neutrinos». El Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos, alojado en el Fermilab y que está previsto que comience a funcionar a finales de la década de 2020, se está desarrollando con estos objetivos en mente.

Sólo una vez antes los científicos han detectado los neutrinos emitidos por una supernova: Durante la SN 1987A (estrella brillante en el centro), los detectores detectaron sólo unas dos docenas de interacciones de neutrinos. La estrella que explotó estaba en la Gran Nube de Magallanes, 240 veces más distante de la Tierra que Betelguese. Foto: ESO

El detector lejano de DUNE -un enorme tanque de argón líquido en la Instalación de Investigación Subterránea de Sanford, en Dakota del Sur- recogerá las señales dejadas por los neutrinos emitidos desde el Fermilab, así como las que lleguen desde el espacio. Dado que una supernova emite neutrinos de manera uniforme en todas las direcciones, el número de neutrinos que DUNE podría detectar disminuye con el cuadrado de la distancia entre la supernova y la Tierra. Es decir, el número de neutrinos que podrían detectarse a 10.000 años luz de distancia de una supernova es 100 veces menor que el número que podría detectarse de una supernova igualmente potente a 1.000 años luz de distancia.

Por esta razón, si una supernova se produce en el centro de nuestra galaxia, a decenas de miles de años luz de distancia, DUNE probablemente detectará unos pocos miles de neutrinos. Sin embargo, debido a la relativa proximidad de Betelgeuse, los científicos esperan que DUNE detecte alrededor de un millón de neutrinos si la supergigante roja explota en las próximas décadas, ofreciendo una bonanza de datos.

Aunque la luz de la supernova de Betelgeuse persistiría durante semanas, el estallido de neutrinos duraría sólo minutos.

«Imagina que estás en el bosque, y hay un prado y hay luciérnagas, y es el momento de la noche en el que salen miles de ellas», dijo Georgia Karagiorgi, física de la Universidad de Columbia que dirige el equipo de selección de datos en DUNE. «Si pudiéramos ver las interacciones de los neutrinos con nuestros propios ojos, así es como se vería en el detector DUNE».

El detector no fotografiará directamente los neutrinos entrantes. Más bien, seguirá las trayectorias de las partículas cargadas que se generan cuando los neutrinos interactúan con los átomos de argón. En la mayoría de los experimentos, las interacciones de los neutrinos serán lo suficientemente raras como para evitar la confusión sobre qué neutrino causó cada interacción y en qué momento. Pero durante la supernova de Betelgeuse, la llegada de tantos neutrinos con tanta rapidez podría suponer un reto en el análisis de los datos, similar al seguimiento de una sola luciérnaga en un prado repleto de estos insectos.

«Para eliminar las ambigüedades, nos basamos en la información lumínica que obtenemos con prontitud en cuanto se produce la interacción», dijo Karagiorgi. La combinación de la firma luminosa y la firma de carga permitiría a los investigadores distinguir cuándo y dónde se produce cada interacción de neutrinos.

A partir de ahí, los investigadores reconstruirían cómo los tipos, o sabores, y las energías de los neutrinos entrantes varían con el tiempo. El patrón resultante podría compararse con los modelos teóricos de la dinámica de las supernovas. Y podría arrojar luz sobre las masas aún desconocidas de los neutrinos o revelar nuevas formas en que los neutrinos interactúan entre sí.

Por supuesto, los astrónomos que esperan que Betelgeuse se convierta en supernova también están interesados en la luz generada por la explosión de la estrella. Cuando esté terminado, DUNE se unirá al Sistema de Alerta Temprana de Supernovas, o SNEWS, una red de detectores de neutrinos en todo el mundo diseñada para enviar automáticamente una alerta cuando una supernova esté en progreso en nuestra galaxia. Dado que los neutrinos atraviesan una supernova sin obstáculos, mientras que las partículas de luz son continuamente absorbidas y reemitidas hasta alcanzar la superficie, la ráfaga de neutrinos llega a la Tierra horas antes que la luz, de ahí la alerta temprana.

SNEWS nunca ha enviado una alerta. Aunque cada año se observan cientos de supernovas, la más reciente lo suficientemente cerca de la Tierra como para que se detecten sus neutrinos se produjo en 1987, más de una década antes de que el SNEWS entrara en funcionamiento. Basándose en otras observaciones, los astrónomos esperan que se produzca una supernova en nuestra galaxia varias veces por siglo de media.

«Si hacemos funcionar DUNE unas cuantas décadas, tenemos bastantes probabilidades de ver una, y podríamos extraer mucha ciencia de ella», dijo Alec Habig, físico de la Universidad de Minnesota, Duluth, que coordina SNEWS y participa en la adquisición de datos en DUNE. «Así que vamos a asegurarnos de que podemos hacerlo».

Dado el enorme radio de la supergigante roja, dijo Habig, DUNE detectaría los neutrinos de Betelgeuse hasta 12 horas antes de que la luz de la explosión llegue a la Tierra, lo que daría a los astrónomos tiempo suficiente para apuntar sus telescopios hacia el hombro de Orión.

Las continuas observaciones de Betelgeuse sugieren que su reciente oscurecimiento fue una señal de su variabilidad natural, no una supernova inminente. Las estimaciones actuales dan a la estrella hasta 100.000 años de vida.

Pero si los científicos tienen suerte, «una explosión en Betelgeuse sería una oportunidad increíble», dijo McDermott, «y DUNE sería una máquina increíble para el trabajo».

Aprenda más sobre DUNE.

La investigación astrofísica del Fermilab y el Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos cuentan con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía.

El Fermilab cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos. La Oficina de Ciencia es la que más apoya la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los retos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información, visite science.energy.gov.